骨髓间充质干细胞移植治疗肾损伤的修复理论及归巢机制的研究进展

龙　超，吴明正，何　迷(综述)，白彝华，王家平※(审校)

(昆明医科大学第二附属医院 a.放射介入室，b.肾内科，昆明 650101)



骨髓间充质干细胞移植治疗肾损伤的修复理论及归巢机制的研究进展

龙超a△，吴明正b，何迷a(综述)，白彝华b，王家平a※(审校)

(昆明医科大学第二附属医院 a.放射介入室，b.肾内科，昆明 650101)

摘要：骨髓间充质干细胞(BMSCs)是一类具有自我更新和多向分化潜能的干细胞，其运用在传统治疗的基础上开辟了一种新的生物治疗模式。研究表明，BMSCs对肾损伤有一定治疗作用。其可能的修复机制包括直接分化为肾脏固有细胞参与结构和功能的修复；通过旁分泌机制发挥治疗作用；微泡-mRNA机制；减轻炎症反应，抗纤维化抗凋亡等。另外，基质细胞衍生因子1/CXC趋化因子受体4/CXC趋化因子受体7轴介导BMSCs归巢的作用非常关键。

关键词：骨髓间充质干细胞；急性肾损伤；慢性肾衰竭；修复；归巢机制

急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)和慢性肾衰竭是临床常见的肾脏重症。目前临床上有各种治疗方法，如药物、透析和肾移植等，在肾脏细胞再生方面有一定限制。而骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)具有强大的增殖分化能力，能分泌多种因子，另外具有自体移植、免疫排斥低、无致肿瘤性及伦理限制等优点。越来越多的证据表明BMSCs是细胞治疗较为理想的选择。近年来，国内外学者致力于BMSCs移植治疗各种肾脏疾病，尤其是急慢性肾损伤，并在其作用机制方面取得了不少研究成果，其中包括基质细胞衍生因子1(stromal cell derived factor-1，F-1)/CXC趋化因子受体(CXC che-mokine receptor，CXC)4/CXC7轴介导BMSCs的归巢作用。由于BMSCs移植治疗肾损伤多处在实验阶段，临床研究开展甚少，因此以上实验对象均为动物模型。现就BMSCs治疗肾损伤的修复理论和归巢机制的基础研究作一综述。

1修复理论

1.1分化机制

1.1.1分化为肾小管上皮细胞肾小管具有重吸收、分泌和排泄功能，而肾小管上皮细胞扮演了重要角色。大多数肾脏疾病伴随肾小管损伤和坏死，尤其是缺血/再灌注导致的急性肾小管损伤比较常见，而肾脏的修复有赖于肾小管上皮细胞的再生和重建。对于BMSCs是否能分化为肾小管上皮细胞，十多年来，不少学者利用各种实验模型做了大量研究。早在2001年，Poulsom等[1]发现雌性小鼠接受雄性BMSCs移植后，其肾小管上皮细胞中检测到Y染色体，进一步实验发现在肾脏损伤后BMSCs参与肾小管上皮细胞的补充修复过程。后来，有学者先通过插入式细胞培养皿体外实验培养BMSCs，发现其分化形态与肾小管上皮细胞相似，同时还表达了肾脏特有标志物，如细胞角蛋白18 和水通道蛋白1[2]。进一步体内实验检测到与肾小管上皮细胞相关的水通道蛋白1 和甲状旁腺激素受体1，发现了BMSCs迁移并局限在肾脏的受损部位，之后分化为肾小管上皮细胞。同时，万建新等[3]将携带绿色荧光蛋白(green fluorescent protein，GFP)的小鼠BMSCs移植给由顺铂所致的AKI小鼠，实验结果表明BMSCs可以明显改善肾功能。另外，肾小管中GFP阳性细胞能表达肾小管上皮特异性的功能蛋白megalin，提示这些来源于骨髓的GFP阳性细胞相当于有功能的肾小管上皮细胞，表明BMSCs可直接分化为肾小管上皮细胞。

1.1.2分化为肾小球系膜细胞最早Imasawa等[4]利用携带GFP标记的转基因小鼠模型进行实验，结果发现骨髓源干细胞有分化为肾小球系膜细胞的潜能。同年，Ito等[5]将携带增强型GFP转基因小鼠的骨髓移植给野生型小鼠，发现在野生型小鼠肾小球中，11%～12%的肾小球细胞来源于移植的骨髓。进一步电子显微镜下观察到带Thy1标记的骨髓来源细胞为肾小球毛细血管网提供支持结构(即肾小球系膜细胞)，初步证明了骨髓来源的细胞为肾小球系膜细胞的分化提供来源。随后，Wong等[6]发现，输注BMSCs的肾病模型小鼠的抗人类CD105细胞因子可在肾脏表达，另外抗人类结蛋白(Desmin)表达阳性，后者是肾小球系膜细胞的标志物之一，结果进一步表明BMSCs可以通过分化为肾小球系膜细胞而发挥修复作用。Wong等[7]还将BMSCs与氧化受损的肾小球系膜细胞体外共同培养，发现共同培养的BMSCs具有肾小球系膜细胞的外形，对血管紧张素Ⅱ也比较敏感，同时BMSCs细胞表型CD54+CD62E-转变为CD54-CD62E+，同样表明BMSCs能分化为肾小球系膜细胞。

1.1.3分化为足细胞足细胞和正足细胞足突间的裂孔隔膜是肾小球滤过屏障重要的组成部分，移植的BMSCs向足细胞分化的同时也可以促进裂孔隔膜修复，从而对维持正常肾小球滤过功能具有重要意义。Poulsom等[1]将雄性BMSCs移植入雌性小鼠中，在雌性小鼠的肾小管上皮细胞中检测到Y染色体的同时也鉴定出Y染色体阳性的足细胞，初步提示BMSCs在分化为肾小管上皮细胞的同时也能分化为足细胞。董晨等[8]建立阿霉素肾病模型后，电镜下可见肾小球上皮细胞呈弥漫性足突融合。经肾动脉移植BMSCs后，在第14日和第28日，大鼠肾组织足细胞裂孔隔膜蛋白分子肾病蛋白的mRNA表达明显升高，表明肾病蛋白表达增多，此实验结果提示BMSCs移植后通过对裂孔隔膜修复来保护阿霉素肾病的大鼠。同样有学者利用5-溴-2-脱氧尿嘧啶核苷标记的BMSCs 进行实验，发现BMSCs可分布到肾脏受损部位，改善足突融合和裂孔间隙，并加速足突和裂孔间隙的恢复[9]。

1.1.4分化为肾脏干细胞和肾小球内皮细胞Jia等[10]采用缺血/再灌注法建立小鼠AKI模型，将GFP标记的BMSCs注入动物模型体内，治疗结果表明,BMSCs可分化为Sca-1+或c-Kit+的肾脏干细胞。进一步的实验证明,加入粒细胞集落刺激因子后，BMSCs向肾脏干细胞的转化率得到提高。Rookmaaker等[11]给实验组1的小鼠进行同种异体骨髓移植后，在嵌合体小鼠肾小球内发现了供体小鼠骨髓细胞分化来的肾小球内皮细胞和系膜细胞；而移植给有肾小球系膜细胞和次级肾小球内皮细胞损伤的实验组2小鼠后，肾小球内皮细胞和系膜细胞数量显著增多，是实验组1的4倍以上，表明骨髓来源的干细胞参与了肾小球内皮细胞与系膜细胞的修复。

1.2非分化机制

1.2.1通过旁分泌机制发挥作用Togel等[12]首先发现输注BMSCs的实验组促炎因子表达减少，相反其抗炎因子表达明显上调。Cheng等[13]又用111铟-羟基喹啉标记BMSCs，然后经尾静脉注射到肾损伤大鼠。处死大鼠后，检测离体器官中BMSCs的分布情况，结果显示，肺脏的分布率达67.2%，而肾脏的分布率只有5.4%，7 d后，在肺脏和肾脏均不能检测到BMSCs。实验表明,通过静脉输注的方式移植BMSCs后，BMSCs 会被迅速清除，而通过腹腔和肾脏包膜下注射的途径移植BMSCs发现其生存时间相对于尾静脉移植较长，实验还检测到有40多种细胞因子的表达。后面两种途径移植的BMSCs并没有直接进入肾实质，因此说明BMSCs不是通过细胞分化，而是通过旁分泌发挥肾脏保护作用。

1.2.2微泡-mRNA机制目前认为细胞起源的微泡成为细胞-细胞间联系的一个新的重要机制[14]。因此，除了旁分泌因子外，其起源于干细胞的微泡在肾脏修复中发挥了重要作用。Gatti等[15]发现,起源于BMSCs的微泡对肾缺血/再灌注损伤及后续的慢性损伤均起到保护作用。Pei等[16]制作5/6肾切除AKI小鼠模型，分别通过尾静脉注射微泡和BMSCs，两组的血肌酐、尿酸和蛋白尿水平均较空白对照组显著下降，其相应的肾脏损害也明显改善，初步证明微泡具有肾脏保护作用。Bruno等[17]建立AKI小鼠模型，通过注射微泡后小鼠14 d的存活率提高到60%，21 d的存活率提高到40%。体外实验证明了微泡可上调肾小管上皮细胞的抗凋亡基因的表达，如Bcl-xL、Bcl-2和杆状病毒凋亡抑制蛋白重复序列8，同时可以下调胱天蛋白酶1、胱天蛋白酶8和淋巴毒素A的基因表达，发挥抗细胞凋亡的作用。此实验进一步从分子水平说明微泡在肾脏修复中发挥重要作用。

起源于BMSCs的微泡在细胞间基因转移中，mRNA和miRNA发挥了关键作用[14,18]。Tomasoni等[19]同样发现，通过mRNA水平转移和微泡来增强胰岛素样生长因子1 受体的敏感性，有利于胰岛素样生长因子1与胰岛素样生长因子1 受体结合，从而促进肾小管的修复。因此，微泡作为信息的载体，通过mRNA和miRNA的水平转移在肾脏修复中发挥重要作用。

1.2.3减轻炎症反应和抗纤维化抗凋亡机制Reinders 等[20]在肾移植的实验中证实，BMSCs有强大的抑制炎症和纤维化作用，从而改善肾功能。边晓慧等[21]通过尾静脉给5/6肾切除AKI大鼠注射BMSCs，发现BMSCs不仅减少了炎性细胞(巨噬细胞)浸润和肌成纤维细胞堆积，而且抑制了CD44和致纤维化因子(如转化生长因子β1)的表达，肾小球硬化指数和肾小管间质损伤指数也明显降低，进一步支持BMSCs能延缓残肾组织的纤维化进程。而BMSCs减轻炎症反应及抗纤维化的作用机制可能是通过旁分泌机制来实现的。Yuen等[22]通过体内外实验发现，在慢性肾衰竭进程中，BMSCs可以抑制转化生长因子β和血管紧张素Ⅱ的生物学功能。因此，BMSCs对慢性肾衰竭的进程，尤其是肾脏纤维化进程有较好的抑制作用。另外，Qi等[23]在培养NRK-52E细胞(肾近端小管细胞)的培养基中加入BMSCs后，发现BMSCs提高了NRK-52E细胞的生存能力并抑制其凋亡。进一步的体内实验，首先通过原位末端标记法检测到实验组肾小管细胞的凋亡数较对照组明显减少，其次BMSCs的移植抑制了细胞外调节蛋白激酶和p38的磷酸化(细胞外调节蛋白激酶和p38的磷酸化与肾小管细胞凋亡有关)，并抑制抗凋亡相关蛋白Bax和Bcl-2的表达。以上体内外实验均说明BMSCs通过抗细胞凋亡和促进增殖的方式参与肾损伤修复。

2归巢机制

2.1F-1/CXCR4轴在干细胞向肾脏归巢的研究随着BMSCs在肾脏的修复作用得到肯定，BMSCs归巢问题成为研究的热点，已有研究表明，BMSCs移入血管后，可通过自身表达的黏附分子和趋化因子受体分别与受损肾脏分泌的黏附分子和趋化因子结合，从而“锚定”向肾脏归巢[24]。F-1属CXC类趋化蛋白，广泛地表达于多种细胞和组织中，包括免疫细胞及脑、心脏、肾、肝、肺和脾等。CXCR4是F-1的受体，两者亲和力比较高。

F-1/CXCR4轴在BMSCs归巢和组织修复中起重要作用，在各种肾衰竭模型中，肾组织表达的F-1增多，骨髓组织中的F-1相对减少。Togel和Westenfelder[25]在缺血性AKI鼠体内发现肾脏F-1高表达，从而促使BMSCs迁移至受损部位。Si等[26]进一步对BMSCs的归巢机制进行研究，发现BMSCs利用F-1/CXCR4轴趋向肾脏。同时BMSCs表面CXCR4的过表达又能促使骨形成蛋白7、肝细胞生长因子和白细胞介素10的分泌，增强旁分泌的效果，提高修复作用[27]。

2.2F-1/CXCR4轴的影响因素在F-1/CXCR4轴发挥归巢作用的过程中，有一些相关的影响因素，如转化生长因子β1、促红细胞生成素、维生素E和低氧预处理等。Si等[26]研究发现，在血浆中加入转化生长因子β1能显著增加BMSCs 表面CXCR4的表达，提高BMSCs的归巢率。BMSCs体外低氧预处理也使CXCR4表达上调，显著提高BMSCs的归巢率并加强修复功效[28]。另外，低氧预处理也增加了血管内皮生长因子、β成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子1和肝细胞生长因子的表达，增强了旁分泌的修复作用[29]。Liu等[30]在庆大霉素与肾小管上皮细胞的培养基中加入BMSCs和维生素E，结果均提高了肾小管上皮细胞增殖能力，而BMSCs和维生素E联用的效果更好；以同样的方式进行体内实验，结果也证明BMSCs联合维生素E治疗AKI的效果优于两者的单独使用。另外，Liu等[31]在鼠AKI模型中发现，促红细胞生成素能增加由F-1/CXCR4轴介导的BMSCs归巢效率。同时在AKI微环境下培养BMSCs，经促红细胞生成素干预后，增强了BMSCs的分化功能，并逆转了其低分泌效应[32]。

2.3F-1/CXCR7轴在干细胞向肾脏归巢的研究以往认为CXCR4是F-1的唯一受体，但近年来有学者发现F-1的一个新受体CXCR7。目前已知CXCR7对小鼠肿瘤生长有促进作用，针对F-1/CXCR7轴在细胞迁移的研究较少。Mazzinghi等[33]研究表明，CXCR7可能在F-1诱导的肾脏祖细胞迁移穿透内皮细胞层过程发挥起重要作用。Liu等[29]实验结果表明，BMSCs经过低氧预处理后，其表面不仅CXCR4 的表达上调，而且CXCR7的表达也有增加。但进一步实验发现，在F-1调节细胞迁移中主要是CXCR4起作用，而CXCR7对细胞存活起重要作用[29,34]。

3小结

BMSCs移植治疗肾损伤的修复理论可归纳为分化作用机制和非分化作用机制。由于各实验造模方法及原理不尽相同、干细胞移植的方式和时间不一致、肾脏损伤程度有差异、BMSCs所受的微环境不同，具体是哪一机制发挥主导作用，说法不一。另外，BMSCs的归巢是当前研究的热点，主要围绕F-1/CXCR4/CXCR7轴的介导作用展开，且有各种因素能提高BMSCs归巢率和治疗效果。但是对于如何进一步提高BMSCs 的归巢率和存活率，以及后续抑制BMSCs凋亡等问题有待深入研究。相信随着各种机制的不断深入研究和完善，BMSCs在肾脏疾病治疗方面将会有广泛的临床应用前景。

参考文献

[1]Poulsom R,Forbes SJ,Hodivala-Dilke K，etal.Bone marrow contributes to renal parenchymal turnover and regeneration[J].J Pathol,2001,195(2):229-235.

[2]Qian H,Yang H,Xu W，etal.Bone marrow mesenchymal stem cells ameliorate rat acute renal failure by differentiation into renal tubular epithelial-like cells[J].Int J Mol Med,2008,22(3):325-332.

[3]万建新，郭琦，潘阳彬，等.骨髓间充质干细胞修复损伤肾小管上皮细胞:可能与可行[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,32(14):5903-5907.

[4]Imasawa T,Utsunomiya Y,Kawamura T，etal.The potential of bone marrow-derived cells to differentiate to glomerular mesangial cells[J].J Am Soc Nephrol,2001,12(7):1401-1409.

[5]Ito T,Suzuki A,Imai E，etal.Bone marrow is a reservoir of repopulating mesangial cells during glomerular remodeling[J].J Am Soc Nephrol,2001,12(12):2625-2635.

[6]Wong CY,Cheong SK,Mok PL，etal.Differentiation of human mesenchymal stem cells into mesangial cells in post-glomerular injury murine model[J].Pathology,2008,40(1):52-57.

[7]Wong CY,Tan EL,Cheong SK.In vitro differentiation of mesenchymal stem cells into mesangial cells when co-cultured with injured mesangial cells[J].Cell Biol Int,2014,38(4):497-501.

[8]董晨，杨焕丹，丰炳峰，等.骨髓间充质干细胞对阿霉素肾病大鼠肾脏nephrin表达的影响[J].中国组织工程研究与临床康复,2010,32(14):5897-5902.

[9]杨焕丹，董晨，关凤军，等.骨髓间充质干细胞移植对嘌呤霉素氨基核苷肾病大鼠足细胞修复作用的研究[J].中国当代儿科杂志，2010，12(6)：483-487.

[10]Jia X,Xie X,Feng G，etal.Bone marrow-derived cells can acquire renal stem cells properties and ameliorate ischemia-reperfusion induced acute renal injury[J].BMC Nephrol,2012,13(1)：105-113.

[11]Rookmaaker MB,Smits AM,Tolboom H，etal.Bone marrow-derived cells contribute to glomerular endothelial repair in experimental glomemlonephritis[J].Am J Pathol,2003,163(2):553-562．

[12]Togel F,Weiss K,Yang Y，etal.Vasculotropic,paracrine actions of infused mesenchymal stem cells are important to the recovery from acute kidney injury[J].Am J Physiol Renal Physiol,2007,292(5):F1626-1635.

[13]Cheng K,Rai P,Plagov A，etal.Transplantation of bone marrow-derived MSCs improves cisplatinum-induced renal injury through paracrine mechanisms[J].Exp Mol Pathol,2013,94(3):466-473.

[14]Collino F,Deregibus MC,Bruno S，etal.Microvesicles derived from adult human bone marrow and tissue specific mesenchymal stem cells shuttle selected pattern of miRNAs[J].PLoS One,2010,5(7):e11803.

[15]Gatti S,Bruno S,Deregibus MC，etal.Microvesicles derived from human adult mesenchymal stem cells protect against ischaemia-reperfusion-induced acute and chronic kidney injury[J].Nephrol Dial Transplant,2011,26(5):1474-1483.

[16]Pei X,Zhu B,Wu J，etal.Bone Marrow stem cells-derived micro-vesicles protect against renal injury in the mouse remnant kidney model[J].Nephrology(Carlton),2012,17(5):493-500.

[17]Bruno S,Grange C,Collino F，etal.Microvesicles derived from mesenchymal stem cells enhance survival in a lethal model of acute kidney injury[J].PLoS One,2012,7(3):e33115.

[18]Biancone L,Bruno S,Deregibus MC，etal.Therapeutic potential of mesenchymal stem cell-derived microvesicles[J].Nephrol Dial Transplant,2012,27(8):3037-3042.

[19]Tomasoni S,Longaretti L，Rota C，etal.Transfer of growth factor receptor mRNA via exosomes unravels the regenerative effect of mesenchymal stem cells[J].Stem Cells Dev,2013,22(5):772-780.

[20]Reinders ME,De Fijter JW,Rabelink TJ.Mesenchymal stromal cells to prevent fibrosis in kidney transplantation[J].Curr Opin Organ Transplant,2014,19(1):54-59.

[21]边晓慧，赵桂锋,孙立，等.骨髓间充质干细胞延缓大鼠残肾模型肾纤维化的研究[J].中国医科大学学报,2014,43(2):131-135.

[22]Yuen DA,Connelly KA,Zhang Y，etal.Early outgrowth cells release soluble endocrine antifibrotic factors that reduce progressive organ fibrosis[J].Stem Cells,2013,31(11):2408-2419.

[23]Qi S,Wu D.Bone marrow-derived mesenchymal stem cells protect against cisplatin-induced acute kidney injury in rats by inhibiting cell apoptosis[J].Int J Mol Med,2013,32(6):1262-1272.

[24]Ponte AL,Marais E,Gallay N，etal.The in vitro migration capacity of human bone marrow mesenchymal stem cells comparison of chemokine and growth factor chemotactic activites[J].Stem cells,2007,25(7):1737-1745.

[25]Togel FE,Westenfelder C.Role of F-1 as a regulatory chemokine in renal regeneration after acute kidney injury[J].Kidney Inter,Suppl,2011,1(3):87-89.

[26]Si XY,Li JJ,Yao T，etal.Transforming growth factorβ1 in the microenvironment of ischemia reperfusioninjured kidney enhances the chemotaxis of mesenchymal stem cells to stromal cellderived factor1 through upregulation of surface chemokine (CXC motif) receptor 4[J].Mol Med Rep,2014,9(5):1794-1798.

[27]Liu N,Patzak A,Zhang J.CXCR4-overexpressing bone marrow-derived mesenchymal stem cells improve repair of acute kidney injury[J].Am J Physiol Renal Physiol,2013,305(7):F1064-1073.

[28]Marquez-Curtis LA,Janowska-Wieczorek A.Enhancing the migration ability of mesenchymal stromal cells by targeting the F-1/CXCR4 axis[J].Biomed Res Int,2013,2013:561098.

[29]Liu H,Liu S,Li Y，etal.The role of F-1-CXCR4/CXCR7 axis in the therapeutic effects of hypoxia-preconditioned mesenchymal stem cells for renal ischemia/reperfusion injury[J].PLoS One,2012,7(4):e34608.

[30]Liu P,Feng Y,Dong C，etal.Study on therapeutic action of bone marrow derived mesenchymal stem cell combined with vitamin E against acute kidney injury in rats[J].Life Sci,2013,92(14/16):829-837.

[31]Liu N,Han G,Cheng J，etal.Erythropoietin promotes the repair effect of acute kidney injury by bone-marrow mesenchymal stem cells transplantation[J].Exp Biol Med(Maywood),2013,238(6):678-686.

[32]刘楠梅，田军，王巍巍，等.促红细胞生成素对急性肾损伤微环境下骨髓间充质干细胞分化及分泌功能的影响[J],中华医学杂志,2012,92(6):417-421.

[33]Mazzinghi B,Ronconi E,Lazzeri E，etal.Essential but differential role for CXCR4 and CXCR7 in the homing of human renal progenitor cells[J].J Exp Med,2008,205(2):479-490.

[34]Dai X,Tan Y,Cai S，etal.The role of CXCR7 on the adhesion,proliferation and angiogenesis of endothelial progenitor cells[J].J Cell Mol Med,2011,15(6):1299-1309.

The Research Progress of Repair Theory and Homing Mechanism of Bone Marrow Mesenchymal Stem Cells Transplantation in Treatment of Kidney InjuryLONGChaoa，WUMing-zhengb，HEMia，BAIYi-huab，WANGJia-pinga.(a.DepartmentofInterventionalRadiology;b.DepartmentofNephrology，theSecondAffiliatedHospitalofKunmingMedicalUniversity,Kunming650101,China)

Abstract：Bone marrow mesenchymal stem cells(BMSCs) are stem cells with the potential of self-renewal and multi-directional differentiation.Its application developed a new biological therapy mode based on the traditional treatment.The research suggested that BMSCs have a certain effect on curing kidney injury.The possible repair theory mainly includes:direct differentiation to renal inherent cells involved in the repair of the structure and function,the mechanisms of paracrine,the mechanisms of MVs-mRNA,the mechanisms of inflammation reduction,anti-fibrosis and anti-apoptotic,etc.In addition,the axis of stromal cell derived factor-1/CXC chemokine receptor-4/CXC chemokine receptor-7 plays a critical role in mediation the homing of BMSCs.

Key words：Bone marrow mesenchymal stem cells; Acute kidney injury; Chronic kidney failure; Repair; Homing mechanism

收稿日期:2015-01-04修回日期:2015-03-25编辑：伊姗

基金项目：云南省科技计划(2012FB045,2011WS0111)；昆明医科大学研究生创新基金(2014N10)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.21.005

中图分类号：R692

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)21-3852-04